DE2355082B2 - Umlaufende elektrische maschine mit einem eine supraleitende wicklung aufweisenden rotor - Google Patents

Description

njc Erfindung bezieht sieh aiii eine umlaufende

. ktrische Maschine mil mindestens einem cmc niehrphasige Wicklung tragenden Stator zur Erzeugung

;_ncs umlaufenden leides und mit einem eine ..,1,-.J₁₀Ii(Jc Wicklung in einem Krvusiaien aulu eisenden Rotor zur Erzeugung eines mindestens bipolaren Feldes wenn die Wicklung von einem Gleichstrom durchflossen ist.

pine Maschine der vorstehend bezeichneten An isi bereits bekannt (FR-PS 20 8° 5 !5). Bei diesel' bekannten Maschine ist die Rotorwelle über Keile mn einer yslindrischen Abschirmung fest verbunden, die /wischen dem Rotor und dem Stator der Maschine _an»eordnet ist und die einen hohen elektrischen

wfdersiiind besitzt. Dadurch und aul Grund des erwähnten konstruktiven Aufbaus der betreuenden

Maschine iveist diese relativ hohe thermische Verluste

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg ju zeigen, wie bei einer Maschine der eingangs genau inen Art auf einfache Weise die thermischen Verluste vermindert werden können.

Gelöst wird die vorstehend aufgezeigte Autgabe bei einer Maschine der eingangs genannten Art erlindungs nemiiß dadurch, daß der Rotor frei drehbar im Inneren eines iiichtmagnetischen Hohlzylinders gelagert ist, der einen Stromkreis aus normal elektrisch leitendem Material aufweist, wobei die Kraftlinien des magnetischen Feldes des Rotors die Wicklung des Siamrs und den Stromkreis des Hohlzylinders miteinander koppeln und wobei bei asynchronem Generatorbemeb der Hohl/N linder von einem Antriebsmotor angetrieben ;si und im asynchronen Motorbetrieb durch Wechselwirkung der Ströme, die die Wicklung des Stators, die supraleitende Wicklung des Rotors und den Stromkreis des I lohl/ylinJers durchströmen.

Hierdurch ergibt sich der Vorteil, daß mil besonders geringem konstruktiven Aufwand die thermischen Verluste der Maschine sowohl beim Motorbetrieb als auch beim Generatorbetrieb vermindert sind.

Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung besteht der Hohlzylinder aus einer I .eichtme tallegierung hoher Festigkeit und niedrigen elektrischen Widerstands Hierdurch ergibt sich der Vorteil eines besonders geringen Gewichts für die Hohlwelle.

Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung weist der I lohlzylinder einen unmagnetisehen .Stahlmantel auf. der innenseitig mit einer Schicht guter Leitfähigkeit belegt ist. Hierdurch ergibt sich der Vorteil einer besonders hohen Festigkeit für den I loh.zylinder.

Gemäß einer noch weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung weist der Siahlmantel auf seiner Innenseite Längsrippen auf. die die Schicht (esihalien. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, daß die Schicht .111 dem unmagnetischen Stahlmantel gegen ein Verdrehen gesichert ist.

Gemäß einer noch weiteren zweckmäßigen Ausge Haltung der Erfindung weist der I lohlz> linder eine kiihlwasserzuluhr auf. über die ein Kühlwasserlilm aul der innenseile des Hohlzylinders aufgebracht und. und lerner weist der I lohlzylinder eine Damplahluhrung Im (Ich Dampf des Filmes aul". Hierdurch ergibt sich dei Vorteil einer besonders wirksamen Kühlung des llohlzylinders. Dabei hält die /eiiinlug.ilkralt das <>5 Wasser an der Innenwand des 1 lohl/v lindei s. wo es verdampft.

Gemäß einer noch weiteren zweckmäßigen An^¹C staining de," Erfindung isi die supraleitende Wicklung des Rotors von der inneren Wand des Kivostaien umschlossen. Hierdurch ist eine besonders wirksame Kühlung tier Wicklung des Rotors ermöglicht.

Gemäß einer noch weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung liegen die Lager des Rotors und der Hohlwelle in einem stilchen axialen Abstand von den Wicklungen des Rotors und des Ständers, daß die in linien erzeugten Wirbelströme schwach sind. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, daß auf relativ einhielte Weise die Beemllussung der erwähnten Lager durch Wirbelsiiömc nur schwach ist.

Gemäß einer noch weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung eier Erfindung endet der I lohlzylinder in einem axialen Vollinaterialansatz kleineren Durehmessers. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, daß aul besonders einlaehc Weise mn dem Hohlzylinder eine Anincbsiurlime (beim Generalorbetrieb) oder cmc Abiriebsemrichlung (beim Motorbetneb) verbunden sein kann.

Gemäß einer noch weiteren zweckmäßigen Ausge staining der Erlindiuig ist die Erregerwicklung durch die konzentrisch zur Rotorachse verlaufende Schicht eines Supraleiterdrahtes gebildet, und diese Schichten sind schraubenlinienförmig mit Stahldrähien umwickelt. Hierdurch ergibt sich ein besonders günstiger und stabiler Aulbau für die Erregerwicklung.

Gemäß einer noch weilereu zweckmäßigen Ausge staining il^v Erfindung besteht die Statorw icklung .ms Zv lindern, die achsparallel und in einer solchen Lage angeordnet sind, daß sie praktisch den gesamten I luß der supraleitenden Wicklung erfassen. Hierdurch ergib; sich tier Vorteil eines besonders hohen Wirkungsgrades tier Maschine.

Gemäß einer noch weiteren zweckmäßigen Ausge staining der Erfindung sind zur Kompensation der drillen ^Oberwelle des Gegeninduklionslekles im Hohl zv fintier m Reihe mit den Zylindern tier Siamrw ickluug Leiter «jesehaltet. die zwischen den Zylindern der Slatorw'icklung und dem umlaufenden I lohlzv linder derart angeordnet sind, daß der sie durchfließende Strom .MiigegengesetZt zu dem die Zylinder durchllicßenden Strom gerichtet ist. Hierdurch ergibt sich tier Vorteil, daß auf besonders einfache Weise die drille Oberwelle des Gegeninduklionsfeldes im I lohlzv linder kompensiert vv ird.

Gemäß einer noch weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung sind die Wicklungen ties Rotors als mehrphasige Wicklungen mit elektrischen Gleiikon takten zinn Zwecke eines Leistungsausiaust hs mit otter externen Schaltung verbunden. Diese an sich bekannte Maßnahme bringt den Vorteil einer einfachen elektrischen Verbindung mil den Rotorwicklungen mn sich.

Zweckmaßisjerweise gestaltet die mit den Gleitkon takten verbundene externe Schaltung in an sich bekannter Weise, eine elektrische Leistung an die Wicklungen des Rotors abzugeben bzw. von these; abzuführen.

Die äußere Want! ties Kyrostaien besieht in an sich bekaniitei Weise aus einem Maieria!, welches cm ginei . elektrischer Leiter ist. der eine Abschirmung bcwiikt und durch the Statorwickliing erlolglc Siorlelder danipli Aul diese Weise lassen sich mn besonders L-eimeem konstruktiv ein Aufwand die heu eilenden Siorlelder ilamplcn.

Der llohlzylintler ist in an ,ich bekannici Weise eiiiwedcr lamelliert ausgebildei oder mit einem Isoliermaterial versehen, und ferner trag: er W icklun-„en the einem Drehfeld mit einer Verschiebt n cqueiiz

unterworfen sind.

Zweckmäßigcrwcise sind in an sich bekannter Weise Einrichtungen vorgesehen, die an die Wicklung des Rotors einen Erregerstrom wahrend der Maschinenanlaulperiode bis /um Erreichen einer gleichbleibenden Drehzahl abgeben. Auf diese Weise läßt sich ein relativ einfacher Anlauf der Maschine erreichen.

Zweckmäßigerweise sind die genannten Einrichlungen in an sich bekannter Weise durch einen externen Gleichstromgenerator, der mit den Gleitkoniakten verbunden ist. oder durch einen an dem Vollmaierialaiv sat/ des Hohlzylinders vorgesehenen Erreger gebildet, dessen Strom durch statische Gleichrichter gleichgerichtet wird. Dies bringt einen besonders geringen schaltungstechnischen und konstruktiven Aufwand mit sich.

Hei der Maschine gemäß der Erfindung ist es schließlich /weckmäßig, in an sich bekannter Weise einen Supralcitcrunterbrccher vorzusehen, der mit Steuereinrichtungen versehen ist, welche die Schließung und Kurzschlicßung der Wicklung des Rotors bei einer gleichbleibenden Drehzahl zu bewirken gestatten.

An Hand von Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend an Ausführungsbcispielen näher erläutert.

Fi g. 1 zeigt schematisch einen eine Maschine gemäß der Erfindung darstellenden Wechselstromgenerator in einer i.ängsschnittansicht;

F i g. 2 zeigt eine Schnittansicht längs der in Γ i g. I eingetragenen Schnittlinie 11-11;

F i g. 3 /cig) schematisch in einer Schnitiansichi einen Teil eines Hohlzylindcrs. wobei der Klarheit wegen die Dicken der vorgesehenen Elemente und der Durchmesser in einem stark übertriebenen Maßstab dargestellt sind:

F i g. 4 zeigt in einem Prinzipbild die obersten Schichten einer Erregerwicklung;

F i g. 5 und b zeigen in Kurvendiagrammen die Änderung eines Obcrwcllcnfcldcs in Abhängigkeit von der Achsentfernung:

Fi g. 7 zeigt in einer vergrößerten Ansieht detailliert tlen Hauptteil eines Kryostatcn und die ihn umgebenden Einrichtungen, und zwar längs der Achse des Wechselstromgenerator;

Fig. 8 zeigt schematisch das Prinzip einer Einrichtung, die eine Speisung einer Rotorwicklung ermöglicht: F i g. 9 zeigt schematisch eine Schnitiansichi in Achsrichtung einer einen zweipoligen Dreiphasen-Asynchronmotor darstellenden Maschine;

Fig. 10 zeigt eine Sehnittansicht längs der in Fig. 4 eingetragenen Schnittlinie X-X, unter Veranschaulichung von zusätzlichen Einzelheiten.

Zunächst sei darauf hingewiesen, daß die Erfindung auf Maschinen anwendbar ist. die sich von jenen unterscheiden, wie sie im Ausfiihrungsbcispicl dargestellt sind. Die Erfindung ist in gleicher Weise insbesondere bei einer Maschine anwendbar, die eine andere Anzahl von Phasen als drei und eine über zwei liegende Anzahl von Polen aufweist.

Der in F i g. 1 und 2 dargestellte Wechselstromgenerator enthält einen feststehenden Ständer 10. der eine Statorwicklung 11 trägt und in welchem die sich drehenden Einrichtungen untergebracht sind. Der feststehende Ständer des in Fig. 1 dargestellten Wechselstromgncrators besteht aus einer halbzylindrischen Kappe 12. die durch ein Bodenteil 13 verschlossen ist. und aus einer Hülse, die mit Durchführungsöffnungcn für die Statorwicklung 11 verschen ist. Diese Siiitorwickltitii.' kann einen im allgemeinen herkömmlichen Aufbau besitzen und durch (nicht dargestellt) Isolierunierlagen festgehalten sein, die das mechanische Drehmoment während des Itctriebs absorbieren, jedoch eine bemerkenswerte Eigenheit mit sich bringen: es ist kein (iehäuse aus einem ferromagnetische!! Material vorgesehen. Dies wäre nämlich unbrauchbar, und /war auf (irund des extrem hohen Induktionsflusses in dem vollständig gesättigten Material. Überdies ist es praktisch nicht möglich, ein Supraleitermaterial zu

ίο schaffen, da es einem starken Magnelwechselleld unterworfen ist. Somit besitzen die supraleitenden Materialien eine magnetische Hysteresis, die eine Freisetzung von Wärme mit sich bringt, welche mil der Aufrechterhaltung der Temperaturen für die Supraleiifähigkeil unverträglich ist. Die Statorwickliing besitzt in einem Wechselstromgenerator großer Leistung eine beträchtliche axiale Länge im Vergleich zu ihrem Durchmesser.

Der Ständer trägt an seinen beiden linden Lager 14 uiidiS zur Zentrierung eines sich drehenden Hohlzylinders lf>. Diese Lager sind hinreichend weit von der Siatorwicklung und der sich drehenden Rotor- bzw. Erregerwicklung entfernt (die weiter unten noch beschrieben werden wird), so daß der Magnetfluß, der durch sie hindurchgeht, schwach bleibt und keine starken Verluste mit sich bringt.

Die sich drehenden Einrichtungen umfassen den Hohlzylinder !6 und eine Kryoslat-Erregerwicklungs Anordnung. Bei der dargestellten Ausführungsform ist der Hohlzylinder 16 durch ein einseitig offenes Endteil gebildet, an welches sich ein Vollmaterialansat/ 17 anschließt, mit dem der Hohlzylindcr mit einer Antriebsturbine 18 verbunden ist. Der betreffende Hohlzylinder muß mit Rücksicht auf die Bcanspruehungen. denen er ausgesetzt ist. im allgemeinen aus einem Stück geschmiedet bzw. gestaltet sein. Auf Grund der sehr hohen Leistungen kann der die Erregerwicklung bildende Supraleiter im Durchmesser relativ klein bleiben Der Hohlzylindcr kann ebenso einen relativ kleinen Durchmesser besitzen, was seine Herstellung erleichtert. Im Hinblick auf das Ausfiihrungsbcispicl sei bemerk;, daß man einen Hohl/ylindcrdurchmesscr in der Größenordnung von einem Meter erhalten kann für eine elektrische Leistung in der Größenordnung von 1000 MVA. Gemäß Fig. 1 und 2 sind der besonderen Klarheit wegen die Dicken nicht maßstäblich dargestellt. Die einen großen Durchmesser besitzenden Lager 14 und 15 sind im allgemeinen Walzenlager oder Nadellager.

Die Kyrostal-Erregerwicklungs-Anordnung 21 dreht sich in den beiden Lagern 35 und 36. die von dem Hohlzylindcr getragen werden. Es sei hier darauf hingewiesen, daß die Relativgcschwindigkeit der Kryostai-Erregcrwicklungs-Anordnung gegenüber dem Hohlzyiindcr mit Ausnahme der Inbetriebsetzung klein bleibt, da sie sich auf die für den Antrieb der Wicklung erforderliche Verschiebung beschränkt.

Die in F i g. 1 und 2 dargestellte Anordnung 21 umfaßt einen Kryostaten.

Der für die Wicklung 24 maßgebliche Kryostat steht nur unter dem Einfluß der Änderung des Flusses des Gegenfeldes des Hohlzylinders, der — in dem mit einer supraleitenden Wicklung verbundenen System — während der Übergangszeiten nicht veränderbar ist. wenn sich die Verschiebung ändert. Der Kryostat kann in herkömmlicher Weise aus Metall aufgebaut sein. Das verwendete Material muß daher lediglich der Zcntrifu galknifi widerstehen und äußerst genau auf der

Rotationsachse des Hohl/.ylindcrs 16 zentriert sein.

Die UnisclilieBuiig des Kryostuten beMehl aus einei· lußcrcn Umhüllung, die dureh eine äußere Z>linder-Vtand 22 und eine dicke innere Zylinderwund 23 gebildet fet. die den Wicklungssupralciter uinschliel.il. Bei der Supraleilfähigkeitstcmperatur ist die Zylinderwund 23. 4ie die Gewichte der Wicklung 24 trügt, mit den t>rehlugern über eine schwache thermische Leitfähigftcit besitzende Teile verbunden, wie dies weiter innen noch ersichtlich werden wird. Man erhalt daneben einen l.cerruum /wischen den Zylinderwiindcn. dureh den eine Isolation gewährleistet ist. die so hoch wie !unmöglich ist. Ocr betreffende Hohlraum bzw. leere Raum kann gebildet werden, und zwar ein für alle Mal. indem der abgeschlossene Raum luftdicht verschlossen wird. ,₅ Darüber hinaus können die Zylindcrwiinde versilbert werden, um die Abstrahlung zu verringern.

Die in L ig. 4 zum Teil dargestellte Erregerw iekliing 24 ist von einem Tragrohr 25 getragen Die betreffende Wicklung ist im Betrieb nicht der Zentrifugalkraft und den elektrischen und elektromagnetischen Beanspruchungen unterworfen, die mit dem Fließen des Stromes verbunden sind. Diese Beanspruchungen werden zu einem Teil von der durch einen Ring gebildeten inneren Umhüllung 23 aufgenommen. Man kann in gleicher Weise, wie dies in F i g. 4 dargestellt ist. von den Zwischenringen bzw. Zwischeneisenringen Gebrauch machen. Bei der dargestellten Ausführungsform ist indessen auf dem Mittclrohr 25 ein unmagmciisches Material in Form von Unterlagen bzw. Linlagen 26 aufgebracht (im Falle einer zweipoligen Wicklung sind dies zwei Unterlagen bzw. Einlagen). Diese beiden !einlagen 26 bestehen aus einem Isoliermaterial, das sich längs zweier diametral dem Rohr 25 jicgenüberliegendcr Zonen erstreckt. Um das betreffende Rohr wickelt man eine Vielzahl von Lagen aus dem supraleitenden Material (in F i g. 4 ist der Klarheit wegen nur eine einzige Lage 27 dargestellt), um eine Dicke zu erhalten, die der der F.inlagcn 26 entspricht. Auf die somit gewiekelten Schichten bringt man sodann eine Lage aus einem durchlöcherten isolierenden Kunststoffmaterial auf, und sodann versieht man die Anordnung mit einer schraubcnlinienförmigen Wicklung aus einem Drahtmalerial. welches denselben Wärmcai sdehnungskocffizientcn besitzt wie das das Rohr 25 bildende Material. In vorteilhafter Weise wird ein Stahldraht 28 und ein Stahlrohr 25 desselben Feinheitsgrades verwendet, um eine erhöhte festigkeit zu erzielen.

Aul der Schicht des Stahldrahies 28 werden die Einlagen 29 aufgebracht, die einen größeren Winkel einschließen als die Einlagen 26. und ferner wird der Supralcitcrdraht erneut unter Bildung von Längswindungcn gewickelt, die sich jeweils an eine der Einlagen 29 anschließen. Auf diese Weise erhalt man einen Durchmesser, der dem Innendurchmesser der Umhüllung bzw. des Mantels 22 entspricht.

Auf diese Weise erhält man eine Pseudo-Zwcipol-Auftcilung durch Verwendung der Einlagen mit veränderbarem Durchgang, und zwar zur Beschränkung der aufeinanderfolgenden Supralcitcrschichtcn. Diese Anordnung liefert nur eine geringe Festigkeit gegenüber den mechanischen Drehmomenten: sie ist jedoch möglich, da in der Wicklung kein bedeutendes mechanisches Drehmoment vorhanden ist.

Die innere Umhüllung bzw. Ummantelung ist durch zw ei Scitcnw ände 33 und 34 vervollständigt.

Wie oben dargestellt, ist es erforderlich, die /vlinderwände soweit wie möglich von dem starken Magnetfeld entfernt anzuordnen, das in der Nähe der Wicklung 24 und der Statorwicklung 11 herrscht. Dies schließt einen erheblichen Zwischenraum zwischen den Seilenwänden 33 und 34 und den Zylinderwänden ein. die die laufende Anordnung tragen. Um dieser Anordnung die erforderliche Festigkeit /11 geben und überdies über eine so gering wie mögliche thermische Leitung zu verfügen, verbindet man in vorteilhafter Weise die innere Ummantelung 23 mit dem Rohr 25 und mil den Inneren Ringen der Lager 35 und 36, und zwar mittels der im wesentlichen konisch ausgebildeten Stege 37. Das Lager 36 ist in einem Hohlraum untergebracht, der im Boden des Hohlzylinders 16 gebildet ist. Das andere Lager 35 ist in einer Scheibe 38 untergebracht, die den Hohlzylinder abschließt. Die beiden Lager, die — wegen der Übergänge — nur einem Gleiten unterworfen sind, können durch Nadellager gebildet sein.

Der mittlere Teil des Rohres 25 stellt die innere Ummantelung des Kryostatcn dar; er besteht wie die Stege und die innere Zylinderwand 23 aus rostfreiem Stahl mit schwacher Wärmeleitfähigkeit.

Der Hohlzylinder 16 muß zum einen eine hohe mechanische Festigkeit besitzen, und zum anderen muß er einen nur geringen Widerstand gegenüber dem !"ließen der starken Ströme ausüben, die für den Antrieb der Erregerwicklung 24 erforderlich sind. Dieses Ergebnis kann mit Hilfe diverser Einrichtungen erzielt werden.

Bei der in F i g. 3 dargestellten Ausführungsform ist der liohlzylinder 16 zumindest teilweise rohrförmig ausgebildet, und zwar durch eine äußere Schicht bzw. Lage aus einem unmagnetischen Stahl mit hoher Scherfestigkeit (z.B. rostfreier Stahl 18.8). Auf die genannte Schicht ist eine Schicht 31 aus hochreinem Kupfer oder Aluminium aufgebracht. Außerdem kompensiert man das schlechte mechanische Verhalten der aus reinen Metallen bestehenden guten Leiter dureh die hohe mechanische Festigkeit des Stahls. Der Stahl ist vorzugsweise auf der Außenseite des llohizyünders angebracht, um die Abkühlung zu erleichtern, wie dies weiter unten noch ersichtlich werden wird.

Zur Verfestigung der Schichten 30 und 31 versieht man die Stahlschicht innen mit Längsrippen bzw. Rillen 32 über ihre gesamte Länge. Diese Längsrippen bzw Rillen nehmen bei der Drehung das Kupfer oder Aluminium mit. Die betreffenden Längsrippen können einen sehr schwachen Vorsprung bilden (5 bis 15% der Dicke des Stahls).

Die optimale Dicke der Kupfer- oder Aluminiumschicht 31 hängt von dem Radius R\ und der Anzahl vor Polen der Wicklung 24 ab. Da diese Wicklung zweipolig ist. wird die optimale Leistung durch eine Dickt erhalten, die bei einem Wechselstromgenerator großei Leistung im allgemeinen in der Größenordnung vor Ri χ 0.3 liegt. Diese Zahl ist dabei lediglich kennzeich ncnd, da man nämlich die betreffende Dicke ζ. Β vergrößern kann, um den Wirkungsgrad bei cinei geringfügigen Abnahme der Leistung zu verbessern oder umgekehrt, wenn man vor allem eine hohl spezifische Leistung sucht. In der Praxis kann von de Überlegung ausgegangen werden, daß die Dickt zwischen 0.2 /?i und 0.35 Rt bei sämtlichen Leistungs Wechsclstromgcneratoren liegen wird.

Eine andere (in den Zeichnungen nicht dargestellte Lösung umfaßt einen Hohlzylindcr 16. der aus eine Legierung gebildet ist. umfassend eine Aluminium- odc Zirkonbasis (z. B. von der Art »Duralumin« odc

»Zircaloy«). Obwohl die Festigkeil dieser Legierungen der von Kupfer oder reinem Aluminium überlegen ist. bleibt sie doch annehmbar, und die Scherfestigkeit reicht für nicht über 600 MVA liegende Leistungen aus. Die optimale Dicke ist mit Rücksicht auf die Festigkeiten im Vergleich /u der vorhergehenden Lösung vervielfacht. Diese Lösung hat den Vorteil der Li η fach heil.

Mit wenigen Worten gesagt bedeutet dies, daß man für die sehr großen Leistungen einen zusammengesetzten Hohl/ylinder \erwenden kann, und zwar mit einer inneren Plattierung aus einer Legierung mit einer besseren mechanischen Festigkeit als der von Kupfer. Dabei kann z. B. eine Legierung verwendet werden, die als Basis- bzw. Grundmaterial Aluminium oder Zirkon enthält.

Die in dem Hohlzylinder i6 auftretenden Ströme, die durch ihr Zusammenwirken mit der supraleitenden Spule das Motordrehmoment erzeugen, müssen so hoch wie möglich sein. Ihre Starke hängt von der Gleitlauffläche ab; sie kann stets hinreichend klein bleiben, um nicht eine Begrenzung hervorzurufen. Diese Begrenzung ergibt sich auf Grund der Erwärmung des Hohlzylinders, der wirksam in einem Kreis gekühlt werden mull, der die Wärme abzuleiten gestattet, die durch die Ströme von mehreren tausend Ampere pro Zentimeter des llmfangs freigesetzt wird, wobei der Hohlzylinder auf einer Temperatur gehalten wird, die nicht über 100 bis 150 C ansteigt.

Bei der insbesondere in F i g. I und 7 dargestellten Ausführungsform ist dieser für die Kühlung des Hohlzylinders 16 dienende Kreis vorgesehen; die Kühlung erfolgt mittels eines Films siedenden Wassers, der mit tier inneren Oberfläche des Hohlzylinders durch die Zentrifugalkraft in Berührung gehalten wird. Diese Lösimg ist dadurch ermöglicht, daß die Potentialdifferenzen längs des Hohlzylinders gering sind, so dal! die Probleme einer Elektrolyse vermieden sind. In einem besonderen, ais typisch anzusehenden Fall, in weichem die abgegebene Leistung in der Größenordnung von 100W/cm^: liegt oder in dem die Stromstärke pro Zentimeter des U.nfangs im Bereich von 1 7 000 Ampere bei einer zehn Zentimeter betragenden Aluminiumdicke liegt, beträgt die Potentialdifferenz etwa 0.5 Volt pro Meter.

Der zur Kühlung des Hohlzylinders dienende, in Fig. 1 und 7 dargestellte Kreis enthält außerhalb des Wechselstromgenerators eine Pumpe 39. die mit Wasser gespeist ist. welches zur Vermeidung einer Kesselsteinablagerung eniminerahsiert ist. und eine ringförmige Kammer 40, die in der Stirnseite eines Verteilers 41 untergebracht ist. der in bezug auf eine Nabe 42 fest angeordnet ist. welche den Innenring des Lagers 35 trägt. In der Nabe befindet sich praktisch ein Durchgang 43. der in der Nähe der Scheibe 38 zu einem Ausgang erweitert ist. Dieser Durchgang kann derart ausgerichtet sein, daß er als Wasscrschaufel wirkt, wenn die Kryostat-Erregerwicklung-Anordnung sich dreht, und das Wasser gegen die Wand des Hohizylinders 16 abgibt.

Die Phasen trennen sich automatisch auf Grund der wirbelnden Bewegung des Wassers. Der Dampf wird mittels einer Rohrleitung 44 grollen Querschnitts gesammelt, die in der Nabe untergebracht ist und die zu einer ringförmigen Kammer 45 des Verteilers hinläuft. Die wulstförmigen Gleitdichtungen 46 begrenzen die Austrittsstcllen auf den Bereich /.wischen dem Verteiler und der Nabe.

Der gesammelte Dampf wird kondensiert und.an die Pumpe /uiückgeleitei. Die Wärme wird vortcilhaftcrweise in einem Austauscher 47 zurückgewonnen, in welchem ein Teil der Wärme an den die turbine <> speisenden Dampfkessel bzw. Heizkessel 48 abgegeben wird. Dieser Austauscher, der als Vorwärmer arbeitet, ermöglicht (mit den gegenwärtigen Wärme/\ klen). die Kosten der Verlustwärme mit etwa O.b zu multipli/ieren. Trotz der ohnischcn Verluste in dem 1 lohlzv linder lh ίο ist tue wäimemäßige Bilanz viel günstiger als in einem einen Supraleiter verwendenden Wechselstromgenerator, in welchem eine Welle direkt durch die Erregerwicklung angetrieben wird, da die Kühlleistung, die erforderlich ist. um die Spule Iv.w. Wicklung 24 kalt zu if, halten, auf Grund der vollständigen Vermeidung einer mechanischen Übertragung mittels der Tiel'iomperaiur-Einrichtungen durch einen Faktor in der Größenordnung von KH dividiert ist.

Der flüssiges Helium enthaltende Speisekreis ist in dem Verteiler 41 und der Nabe 42 untergebracht. Das lleliumgas wird in dem Mittelteil des durchlöcherten Rohres 25 gesammelt und nach außen durch eine lest angebrachte Rohrleitung 49 abgeführt, die mit einem Bund abschließt, der mit einer Gleitdichiung 49.; versehen ist. Die nicht näher dargestellten Isolierst reben hallen in der Rohrleitung 49 ein Ztiführrohr 50. welches mit einer Umhüllung bzw. einem Mantel 51 versehen ist. in welchem sich ein abgedichteter l.eerraum befindet. Das Rohr bzw. der Rohransatz 50 gibt das flüssige Helium nach rechts durch die Sehlii/e des Rohres 25 ab. und die Zentrifugalkraft führt das betreffende Helium nach außen, d. h. zu den Spulen lim. wenn sich die Anordnung dreht. Die Trennung der Flüssigkeitsphasen und Gasphasen erfolgt somit automalisch. Das flüssige Helium wird der Rohrleitung 50 durch eine nicht dargestellte Speiseeinrichtung zugeführt und in eiern Rohr 49 durch einen Rohransatz'52 (I ig. l)n;ieh Verdampfung zurüekgeleitct.

Die Staiorwickiung 11 ist einem sehr hohen I !uß ausgesetzt. Die diese Wicklung bildenden Leiter müssen

dabei aulgeteilt sein; mit anderen Worten ausgedruckt

heißt dies, daß jeder einzelne Leiter einen mc!

geringeren Durchmesser bei der lichten Weile der Hülse haben muß; praktisch bedeutet dies, daß der Durchmesser zwischen 0.5 und 3 mm liegen muß. Wenn

der Draht bzw. die Leitung in Reihenschaltung zu

verwenden ist. wird die Klemmenspannung " de^

Wechselstromgcnerators mehrere MV betragen unJ

daher sehr hoch sein. Daher ist es erforderlich, eine Parallelschaltung zu verwenden, um die Leiter zi:

versetzen. Eine besonders einfache Lösung enthält eint

sieben Einzeldrähte, die elektrisch voneinander isolier sind, umfassende Litzenanordnung, und zwar von dei

Art. daß der Fluß gleichmäßig auf die sieben Drähu

aufgeteilt ist und daß kein Wirbelstrom auftreten kann Sodann werden sieben Einzellitzen zu einer Anordnung

verseilt, wodurch man schließlich einen 49 Einzclleitei umfassenden Leiter erhält, dessen einzelne Leiter ai ihrem Ende durch eine Lötstelle miteinander verbündet

to sind. Damit sind die einzelnen Leiter parallel betneben

Dieses Beispiel ist zur Veranschaulicliunc gegebet

worden, wobei insgesamt eine kompakte Versciilösun;

zur Verfügung steht, bei der die Drähte derar schraubenlinienförmig verwunden sind, daß die 11

⁶^ gleicher Weise annehmbare Verlegung gewährleiste

ist.

Es sei darüber hinaus bemerkt, daß der für den Leite zur Verfügung stehende Raum relativ groß ist. da e

nicht (.lurch Kin- bzw. Ausschnitte begrenzt ist. ιιικΙ daß der (iesamistroni hoher sein kann bei konstanter Stronulichie.

Die Staiorwieklung gemäß der F.rfindiing ist vorteilhaften«, eise durch eine Zylinderform gebildet, wobei die Mitten tier beiden eine Phase bildenden Zv linder 5i und 54 /.Ii. um ilen I lohl/ylinder herum angeordnet sind, uiul /war derart, daß der gesamte Fluß eine¹· Poles der Supnileiierspule aufgeteilt ist. Wie /.Ii. in I i μ. 2 dargestellt, sind die Zylinder symmetrisch in bezug aiii die Rotationsachse im Rille einer zweipoligen Supraleiterspiile angeordnet.

Line in dieser Weise gebildete Drciphasenvv ickliiiig. Clio von ausgeglichenen Dreiphasenstromen durchllos »en wird, übt aiii uire Achse ein l^:eld aus. welches sich lim der Frequenz des Stroms dicht, d. li. eine ».■\nkerreaktion« hervorruft. Wenn der Wechselstrom generator eine Wirkleistung abgibt, übt dieses Feld aiii die supraleitende Spule bzw. Wicklung ein Widerstands imoment aus. wobei der Ausgleich dann erhalten wird. 'wenn dieses Moment gleich dem Moiormoment ist. welches durch die Stromschichten er/eugt wird, welche \on dem 1 lohl/ylinder geführt werden. Wenn sich jedoch der Mittelpunkt dieses Feldes verschiebt, der in dem laufendem System festgelegt ist. kommt ein Drehfeld /; mit einer dem Dreifachen der (irundfreqiien/ entsprechenden Frequenz, hinzu. Wenn man mit />N den Radius des Kreises bezeichnet, der die Mitten der die Statorw icklungen bildenden Zylinder enthalt, iinden sich (.las eine dreifache l'requen/ besitzende leid /7 mil dem Abstand r von der Achse /wischen 0 und /\';. wie (.lies in I· 1 g. 5 dargestellt ist. Dies bedeutet, daß der I IuIi viel schneller durch einen Leiter des Radius r geschnitten wird: Dies ermöglicht insbesondere, sehr nahe des I lohl/ylinders 16 einen Leiter (nicht dargestellt) in Reihe mit der übrigen Wicklung anzuordnen, die die jeweilige Phase bildet. Der betreffende Leiter wird jedoch durch einen Strom umgekehrter Richtung durchflossen und helert ein Leid /;'.

Die (iröße jedes der Leider /7 und /?'. die eine Lrequen/ besitzen, die das Dreifache der l-'reqiienz ties abgegebenen Stromes ist. ander: sich daher in Abhängigkeit von r. wie dies in L i g. b dargestellt ist. in der der Ampliiudenmaßstab gegenüber dem in Γ i g. 5 vergrößert ist. Die Lage des cnigegengerichteten ein/igen Leiters läßt sich berechnen: an dieser Stelle ist die Summe //der beiden Dreicroberw eilen leider Null, und /war für einen Radius Ri der einer lichten Weite bzw. Tiefe in dem llohlzyhnder 16 entspricht, was der lialfte der Schichttiefe bei der Obcrwellenfrcquenz aiii dem interessierenden Leiter in dem llohlzvlinder gleichkommt. Diese Anordnung verbessert mit Rücklicht darauf, daß sie einen nur schwachen Verlust der jpezifisehen Leistung zur Folge hat. im Gegenteil noch dien Wirkungsgrad durch Verminderung der in dem Hohl/ylinder 16 vorhandenen parasitären Indukiionsttröme. Dieser einzige, zu dem jeweiligen Zylinder hinzugefügte Leiter ist zwischen dem Zylinder und der laufenden Welle untergebracht, und zwar in der zur tier Achse des Wechselstroms benachbarten F.bene des Zylinders.

Anstatt der Anordnung, die noch beschrieben werden wird, kann man die in Fig. 2 schematisch dargestellte Anordnung verwenden. Diese Anordnung enthalt ein /.yündergcbildc. welches nicht den Leiter in einem kleinen Raum nahe der Welle enthält. Die Zylinderwicklung wird somit gleichwertig sein zu dem Fall, daß in

einem Zylinder samtliche Leiter in Reihe mit einem im Innern angeordneten Gcgenw irkungs/v linder verbunden sind, wobei eine viel kleinere Abmessung er/ielt wird. Diese Lösung bringt im Vergleich /11 der vorhergehenden Lösung den Vorteil mit sich, etwas cmi.icher zu sein.

Was die angenommene Anordnung anbelangt, so sei bemerkt, daß es möglich ist. durch eine geeignete (iruppieriing bzw. Li 11 te llung tier Leiter tier Statorw κ k lung, eine Ausgangsspannung /u erhalten, die w escnthiJi hoher ist als bei einem Wechselstromgenerator, der einen normalen Rotor verwendet. Im besonderen kann eine Spannung erzielt werden, die dazu führt, daß die Zwischenschaltung eines Aufvvärtstranslormators /wischen dem Wechselstromgenerator und dem Speisenet/ nicht gebracht wird. So kann man /.. H. bei einem Wechselstromgenerator in einer Lange von 4.5 m aul leichte Weise je Siator-»Windung« eine Spannung von etwa HMK) Voll erhalten, wobei jede Windung von einer benachbarten Windung leicht isoliert ist. Ls genügen daher fünfhundert in Reihe liegende Leite¹ um eine Spannung von 500 kV zu erzielen, welche die Spannung ties eigentlichen Stromnetzes ist.

Ls durfte ohne weiteres einzusehen scm. tlaß die Wahl einer hohen Ausgangsspannung eine besondere Isolier technologic auferlegt: im Unterschied da/u ist du. vorstehende Lösung jedoch besonders wirksam. Der Stator ist im übrigen zuvor abgekühlt: zur Sicherst..! lung dieser Abkühlung ist es erforderlich, ein dielektri sches Fluid, wie Pyralen. zu verwenden, wenn man eine Flüssigkeit wählt, oder Wasserstoff, wenn man em Cms vv ahli.

Die die Erregerwicklung 24 darstellende, sich drehende große Magnet-Mehrpolanordnung (die hei dem nachstehend beschriebenen Fall zweipolig ist) er/eugt ein starkes magnetisches Drehfeld. Mangels besonderer Vorsichtsmaßnahmen stört dieses IeItI in Fn'Jernungen. tlic einige zehn Meter reichen, obwohl ihre Intensität proportional mit der dritten Polen/ der I ntlernung abnimmt. Zum Kur/schließen ties Magnetflusses ties Wechselstromgenerators unter tlei anigen Verhältnissen kann man in vorteilhafter Weise eine feiTomagne'.i ,ehe Abschirmung oder einen Leiter vorsehen, tier als Löscheinrichtung für die Induktionsströnie dient. Dieser Schutz bzw. diese Abschirmung, die ,ms einem eisenhaltigen Metallblech, aus einem I erriu'iber/ug oder aus einem Blech eines Metalls bestehen kann, welches ein guter elektrischer Leiter ist. wird generell in einem solchen Abstand von der Achse ties Wechselstromgenerator;, angeordnet, tier gleich zumindest das Fünffache des Radius der l.iregerw icklung 24 ist. Diese Abschirmung kann durch einen Metallbelag gebildet sein, der weitgehend über den Wechselstromgenerator aufgebracht ist und sich seitlich durch die Seitenwändc verlängert. Die betreffende Abschirmung kann dabei z. B. durch ein 2 cm dicke Aluminiumblech gebildet sein. Diese Lösung ist zwai ziemlich teuer, da eine Zentrale, die stets einen Steuer bzw. Befchlsraum umfaßt, unter diesen Umständen au bzw. über dem Belag anzuordnen ist. Der minimal» Abstand des Fünffachen des Radius stellt dabei keim Beschränkung dar. da in jedem Fall die Deckenhöhe ii dem Maschinensaal auszureichen hat. um das Aufklap pen des Wechselstromgcnerators und seiner Ttirbin oder seiner Antriebsturbinen zu ermöglichen.

Die Arbeitsweise des Wechselstromgenerator«» ergib sich aus der vorhergehenden Beschreibung, weshalb m kurz darauf eingegangen wird. Wenn der Hohlzylindt

sich drein, und zwar auf Grund des Antriebs der Turbine, arbeitet die Erreger- bzw. Supraleiterspule in dem flüssigen Helium >nit einem Null-Widerstand: sie besteht dabei aus einer reinen Selbstinduktivität. Sie ruh damit einen konstanten Magnetfluß hervor, und. der reaktive Teil des Gegeninduktionsfeldes (der one Entmagnetisierung hervorruft) bringt lediglich eine Erhöhung des Stromes in der Erregerspule bzw. •wicklung mit sich, die annahmcgemäß kurzgeschlossen wird. Die Zentrifugalkraft versucht, das flüssige Helium von dem mittleren Zufuhrrohr zu der Spule hin zurückzudrängen und die Aufrechterhaltung der Kälte zu sichern. Auf jeden Fall muß eine Hilfseinrichtung vorgesehen werden für die Inbetriebsetzung des Wechselstromgenerators zu dem Zeitpunkt, /ti dem dieser angelassen wird. Wenn sich die Krvostat-Erregcrwieklungs-Anordnung in der Ruhestellung befindet, ist die Zentrifugalkraft nicht vorhanden, und lerner führt die Wicklung zumindest in ihrem llaupiteil nicht die Supraleiifähigkeitsiemperatur. Die betreffende Wicklung ist jedoch imstande, einen Strom \on einigen Ampere zu führen, da die Supraleitcr-Legieningsdrähte oder -bänder stets mit einem Kupferüberzug umkleidet sind.

Um an die Spule bzw. Wicklung den Strom abzugeben, der für die Erregung und Selbsterregung bei der Zunahme des Magnetfeldes erforderlich ist. und /war während der Inbetriebsetzungsperiode, kann eine Speisung von außen her vorgenommen werden. Man kann selbstverständlich auch eine direkte Speisung der Spule mit Hilfe der Gleitkontaktc ins Auge fassen {mit Ringen und Bürsten), welche in dem Mittelrohr untergebracht sind. Diese Lösung bringt jedoch eine bedeutende Unzulänglichkeit mit sich, da die Supra leiterspulcn tatsächlich bedeutende Ströme erfordern. die 500 Ampere erreichen. Es wird daher bevorzugt, die in Fig. 8 schematisch angedeutete Lösung /ti benutzen. Die betreffende Lösung besteht darin, daß Berührungsbahnen 55 bis 56 gespeist werden, die in einem feststehenden Element getragen werden, welches in dem Rohr 25 untergebracht ist. z. B. in dem Abschlußbund des Rohres 49. Damit kann eine Wechselstromeinspeisung bei einer relativ hohen Spannung erfolgen. Die Leistung bleibt gering (in der Größenordnung von 100 Wall), woraus man ersieht, daß die Anwendung einer Spannung in der Größenordnung von 100 Volt den Snom auf einen Wert in der Größenordnung von Ampere zu verringern gestaltet. Der mit Hilfe der Hülsten 57, 58 abgenommene Strom wird einem Spannungsabwärtstransformaior 59 zugeführt. Ein Gleichrichter 60 (mit z. B. in einer Brücke liegenden Halbleiterdioden) ermöglicht somit die Speisung der Spule bzw. Wicklung. Diese Speisung kann durch einen durch Zentrifugalkraft betätigten Supraleiter-Unterbrecher vervollständigt sein, der den Wicklungs- bzw. Spulenstromkreis selbst wieder schließt, wenn eine bestimmte Geschwindigkeit erreicht ist. Die Geschwindigkeit entspricht im Betrieh der Drehzahl des Supraleiters.

Der 111 Ii g. 9 und 10 daigestellte Motor enlhäli eine <·° doppelte Dreheinrichtiing von generell zylindrischer I οπή. In diesem Motor sind in bezug auf die Maschinenachse die Erregerwicklung b/w. die Induklorspule 115 koaxial in einem Krvoslaten enthallend angeordnet. Eine passive Abschirmung aus einem ''5 Material, welches ein guter elektrischer Leiter ist. im Im die Außenwand lies Krvostateii vorgesehen bzw. veraniw orilich. I einer ist ein I lohlzv linder 114 vorlese hen. der die mechanische Leistung liclcrt und det em mehrphasige Wicklung bzw. Spule trägt. In glcniie Weise können auch andere Anordnungen angeriomine werden, die insgesamt weniger zufriedenstellen. S< kann z. B. an Stelle eines 1 lohlzv linders ein Vollzv in,..!..-verwendet werden, und die Spulenanordnung ui.d .;_: passive Abschirmung können um den Zylinder i:.n; angeordnet sein.

Der generelle Aufbau des in E i g. M d.ii ^isic'iie Asynchronmotors ist der der in Ei g. 1 bis κ daiyc-ieü ten Maschine verwandt. Der betreffende Mi·;*. unterscheidet sich im Grunde genommen dutvl·. d.-Vorhandensein einer mehrphasigen Wicklung, die ·..;■ dem Hohlzylinder getragen und von der Außenseite re gespeist wird.

Wie weiter unten noch ersichtlich werden v. ;·,. enthält der Motor einen feststehenden Stai.Ji.! M! (Eig. 10). der eine Statorwicklung 111 tragt ui;,, ■ welchem eine doppelte drehbare Einrichtung tirr.ei ue bracht ist. Die mehrphasige Statorwicklung 111 ist /. H mit einem elektrische Energie liefernden b/w. erzeuge!' den Net/ verbunden, und zwar mittels hcrkommii.. κ Unterbrecher- bzw. Trennelemente. Die betreüer·..:·. Spule besteht aus einem Material, welches ein 1.¹IiIe₁ elektrischer Leiter ist. wie z. B. aus kupier otiei Aluminium, und welches bei Temperaturen wirksam ^ivl wie sie für die Spulen der herkömmlichen Elekuoini]:!.. ren üblich sind.

Der Ständer 110 trägt an seinen Enden Zentneriagei 112 und 113 für den sich drehenden Hohl/v linder 114 Diese Lager sind hinreichend weit von der Statoiwiek lung und den Wicklungen der sich drehenden Ληοπί nung entfernt, damit der durch sie hindurchtretenik Magnetfluß klein bleibt.

Während des Betriebs hat das durch die Siatorwkk lung 111 erzeugte magnetische Drchfeld eine Drehung der Erregerwicklung 115 mit der Synchronfrequen/ um des Hohlzylinders 114 mit einer Frequenz zur Folge, du. sozusagen untersynchronisiert ist. wenn die Wicklung 127 die Leistung (z. B. an die außerhalb der Maschirk befindlichen Widerstände bzw. Heizwiderstände) abge hen kann, oder übersynchronisiert (wenn die externe! Speiseeinrichtungen dem Hohlzylinder die Leistung unter Bereitstellung der Ströme und mehrphasiger Spannungen mit der richtig gewählten I ret|tien/ liefern).

Der Hohlzylinder 114 enthält in seinem Innerei Hohlraum ein Zentrierlagcr 131, in welchem sich die in ihrem Kryostaten untergebrachte Wicklung 115 drein Ein zweites die Wicklung 115 tragendes Lager 132 kann innerhalb des Hohlzylinders untergebracht sein, wobei das linde des Hohlraums offen ist. Das bctrellcnde Lager kann aber auch unmittelbar an dem feststehenden Ständer angebracht sein. Dieser zulctztgenannte Fall ist in F i g. 10 veranschaulicht.

Die Supraleitcr-Spulcnwicklung 115, die bei der beschriebenen Ausführungsform zweipolig ist, ist von dem Erregcrgleichslrom der Maschine durchflossen, der bei gleichbleibender Drehzahl konstant ist. Die Spulen wicklung b/w. lnduktorspulc 115 ist in Übereinstim miing mit den bei Supraleitermagneten üblichen Verfahren realisiert, weshalb es hier nicht erforderlich ist. diesen Aufbau zu beschreiben. Das Supraleitermaic rial kann insbesondere ein vieldrähtiges zusammengesetztes Gebilde sein, dessen miteinander verbundene Ein/eldrähle aus einer Niob und Titan enthaltenden I .egiening in einer Kupfermatrix eingelagert sind, w obei die Drähle einen kreisförmigen oder reehteekiiien

(,»uerschniit erhallen. Die verschiedenen Hin/eileiter. (lie in angemessener Weise isoliert sind, sind in einer Anzahl zusammengestellt, die ausreicht, um eine ijesamtverteiiung des in einem zweipoligen leid (ließenden Stroms sicherzustellen. /. ü. in den Nuten oder Ausnehmungen, die um den Umfang eines Zvlinderdornes 129 vorgesehen sind. Dieser Dorn 129 (Γ i g. 10) kann aus Stahl (magnetisch oder amagnetiscli). wobei die Induktionen sehr hoch sind, aus einem Isoliermaterial oder überdies aus einem Metall bestehen. welches eine gute mechanische Festigkeit und eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzt. Verwendet man einen Kunststoff, so ist dieser in vorteilhafter Weise faserverstärkt. Unter den verwendbaren Meiallcrzeugnissen seien insbesondere die leichten Legierungen auf Aluminiumbasis erwähnt. Die Wicklung 115 und der diese tragende D(MMi sind mit Kühlkanä en versehen. Jie dazu dienen, ein kryogencs Fluid zirkulieren zu lassen.

Die Wicklung 115 ist den magnetischen Beanspruchungen b/w. Spannungen auf Grund ihres eigentlichen »o Feldes und den mechanischen Beanspruchungen auf (irund der Zentrifugalkraft während ties Betriebes ausgesetzt; die betreffende Wicklung bzw. Spule muß auf dem Dorn 129 festgehalten bzw. festgeklemmt sein. Dieses Ergebnis kann durch Verwendung der Nuteneinlagen aus einem Material mit guter mechanischer l'estigkeit oder durch Verwendung der Metallringe oder überdies durch eine Imprägnierung mit einem durch Wärme aushärtbaren Harz erzielt werden. Die vorstehenden Maßnahmen bzw. Verfahren können offensichtlieh in gleicher Weise kombiniert angewandt werden.

Die Wicklung 115 muß mit einem Gleichstrom gespeist werden, und zwar zumindest während der Anfangsperiode. Diese Speisung kanr. entweder durch eine am Wellcnende vorgesehene Erregermaschine, die den statischen Gleichrichtern zugeordnet ist. oder von der Außenseite her erfolgen. Diese zweite Lösung ist in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig.9 gezeigt, gemäß der die GIcilkontakte 116 und 117 die feststehenden Stromabnehmer und die Ringe enthüllen, welche von einem Überzug bzw. Mantel 118 getragen weiden, der mit dem die Wicklung 115 tragenden Dorn verbunden ist. Die Leiter (nicht dargestellt), die die Gleitkontakt mit der Wicklung 115 verbinden, sind innerhalb des betreffenden Mantels untergebracht; sie müssen selbstverständlich von der Art sein, dal.i sie soweit wie möglich die Wärmezufuhr in Richtung auf die TicflemperaUirzone hin verringern.

Unabhängig von der Lösung, die fü^- die Speisung der Wicklung 115 beim Systemanlauf angenommen wird. ;io enthält die betreffende Wicklung in vorteilhafter Weise einen Supraleiter-Unterbrecher, der geöffnet ist wahrend des Systctnanlaufs und der geschlossen ist während des Dauerbetriebs bzw, bei gleichbleibender Drehzahl, und zwar derart, daß durch den betreffenden Unterbreeher bzw. Schalter die Wicklung 115 kurzgeschlossen und der für den Betrieb erforderliche Fluß aufgefangen wird Gleichzeitig kann die Speisung i.nterbrochen sein.

Die Wicklung 115 ist in einem Kryostaten eingeschlossen, der aus einer inneren Zyli'iderwand 119 und einer äußeren Zylinderwand 120 bes eht. Die Wicklung 115 ist an dem äußeren Zylinder 120 des Kryostaten mit Hilfe von Zenirierteilen angebracht bzw. festgemacht. Diese Teile enthalten bei der besc lriebenen Auslüh rungslorm zwei Mäntel bzw. Überzüge 118 und Kappen 121. Die äußere Zylinderwand 120 kann in \orieilhaltcr Weise durch einen Zylinder aus einem Material gebildet sein, der ein guter elektrischer Leiter ist. Hierliir kann Iß.

ζ. B. eine Aluminiumlegierung verwendet w erden. Diese Zylinderwand besitzt dabei eine ausreichende Dicke, um als elektromagnetische Abschirmung gegenüber der Induktionsspule zu dienen.

Wie bereits erwähnt, ist durch die in dem magnetischen Verhallen der Supraleiter festzustellende Hysteresis die Unterdrückung der schnellen Änderungen des Magnetfeldes auferlegt. Aus diesem Cirund enthalten die derzeitigen Wechselstromgenerator-Supraleiter alle eine elektromagnetische Abschirmung, deren Aufgabe darin besteht, die Auswirkungen der durch Induktion erzeugten parasitären Magnetfelder bzw. magnetischen Streufelder zu dämpfen bzw. aufzuheben. Wird der als Ausführungsbeispiel dargestellte Asynchronmotor gemäß der Erfindung in Betrieb gesetzt, so erfüllt die äußere Zylinderwand 120 des die Wicklung 115 enthaltenden Kryostaten diese Funktion.

Zwischen der inneren Zylinderwand 119 und der äußeren Zylinderwand 120 des Kryostaten ist eine Wärmeisolierung vorgesehen, die in herkömmlicher Weise durch einen doppelwandigen Mantel bzw. Überzug mit einem Hohlraum gebildet sein kann, der ein mehrlagiges Isoliermaterial enthält, und zwar in Übereinstimmung mit der zu einer hervorragenden Isolation führenden Isolationstechnik. Die Indukior- bzw. Wicklungswelle 135 und die Verbindungselemente zwischen der Wicklung 115 und die Verbindungselemente zwischen der Wicklung 115 und der äußeren Z\linderwand 120 des Kryostaien (Überzüge 118 und Kappen 121) müssen einen geringen Querschnitt besitzen; sie sind /.. B. aus rostfreiem Stahl mit geringer thermischer Leitfähigkeit gebildet. Die Verbindungen können nur eine geringe mechanische Festigkeit besitzen, weshalb auf die Wicklung 115 bei gleichbleibender ausgeglichener Drehzahl kein Moment ausgeübt wird.

Die Wicklung 115 und der Kryostat sind der als Induktor- bzw. Wicklungswelle bezeichneten Welle 135 zugehörig, die sieh in den Lagern oder Rollenlagern 131 und 132 im Innern des Hohlzylinders 114 frei dreht. Eines der End- bzw. Abschlußteile der Welle 135 ist selbst rohrförmig ausgebildet, und zwar derart, daß es die Speisung des Kryostaten mit einem kryogenen Fluid (flüssiges oder überkritisches Helium) und die Speisung der Supraleiter-Spulenwicklung mit einem elektrischen Strom ermöglicht.

Bei der in F i g. 9 schematisch dargestellten Ausführungsform enthalten die den Kryostaten mit einem Fluid speisenden Einrichtungen zur Aufrechterhaltung der kryogenen Temperaturen ein Mittelrohr 123. welches in den Innenraum des Domes mündet, der die .Spulenwicklung bzw·. Induktionsspule 115 trägt. Durch diese Rohranordnung kann man das kryogene Fluid abgeben, welches flüssiges Helium oder überdies überkritisches Helium sein kann. Das verdampfte Helium kommt in dem zwischen dem Rohr 123 und dem Überzug 118 enthaltenen Zwischenraum wieder zurück; der zuletzt genannte Überzug ist in vorteilhafter Weise mit einem Isoliermaterial versehen. Das Helium wird durch eine Rohrleitung 24 abgeführt, die zu einer feststehender Aufnahme 125 hin offen is.t, welche mit dem Kopfende des Überzugs 118 mittels einer hermetisch abgesehlos seilen Drehverbindung zusammenwirkt.

Die wirksame Speisung der supraleitende Wicklung 115 mit einem elektrischen Strom erfolgt mn Hilfe voi Stangen bzw. 1 lebein. Bändel 11 oder Rohren aus Kupfei die die Spulenenden mit den (ileitkonlaktringen IK und 117 \erbinden. Diese Stangen. Bänder oder Rohr«

aus Kupfer sind in dem Zwischenraum untergebracht, der zwischen dem Rohr 123 und dem Überzug 118 enthalten ist. um eine wirksame Abkühlung der Stromzuführungen durch das gasförmige Helium zu ermöglichen, welches vom Innenraum des Kryostaten herstammt.

Die beschriebenen drehbaren Elemente bzw. Einrichtungen drehen sich im ganzen. Die sich drehende doppelte Einrichtung enthält in gleicher Weise den Hohlzylinder 114 der Maschine und die von diesem n getragene mehrphasige Wicklung 127. Der Hohlzylinder 114 ist aus einem Material ausgewählt, welches eine hohe mechanische Festigkeit besitzt, und zwar im allgemeinen aus einem magnetischen oder unmagnetischen Stahl. Dieser Hohlzylinder 114 ist einem i; magnetischen Drehfeld unterworfen, welches mit der Frequenz der Verschiebung bzw. des Schlupfes des Asynchronmotors auhr'ni. Er muß damit entsprechend ausgebildet sein; er besieht z.B. aus einem Material, welches in einer rechtwinklig zur Maschinenachse ac liegenden Ebene lamelliert ist, zumindest allerdings in dem Teil, der dem Drehfeld unterworfen ist. Der Hohlzylinder kann auch aus einem Isoliermaterial mit hohen mechanischen Kennwerten bestehen, welche die lamellierte Anordnung vermeidet. Er kann mit radialen Nuten 130 versehen sein, die nach außen hin offen sind und die die Unterbringung der Windungen ermöglichen, welche die mehrphasige Wicklung 127 bilden. Der Einfachheit halber sind lediglich einige Nuten in Fi g. 10 dargestellt.

Die zweipolige Dreiphasen-Wicklung 127 kann entsprechend herkömmlichen Verfahren zur Herstellung der Rotorwicklung eines Asynchronmotors gebildet sein. Die Wicklung muß auf einer Temperatur gehalten werden, die mit der Verwendung der üblichen elektrischen Isoliermaterialien verträglich ist. Ferner muß die betreffende Wicklung mit einem nicht dargestellten Kühlkreis versehen sein. Im allgemeinen verwendet man zur Kühlung Wasser. Gleichwohl kann zur Kühlung ein zirkulierendes Gas (/.. B. Luft) verwendet werden, wenn die Leistung des Asynchronmotors nicht die Kompliziertheit rechtfertigt, die die Wasserkühlung mit sich bringt.

Die Wicklung 127 ist mit den Ringen 134 (drei oder vier für eine Dreiphasenwicklung) verbunden, was dazu führt, daß die verschiedenen Phasen der Wicklung mit Widerständen belastet werden können, sei es durch Kurzschluß dieser Phasen, sei es durch Speisung der drei Phasen mittels eines elektrischen Dreiphasengenerators bei niedriger Frequenz (nicht dargestellt), und /war tlerari. daß im zuletzt genannten Fall ein übersynchro-11er Betrieb gewährleistet ist. Die Anwendung der Widerstände, und zwar insbesondere für den Moioraü lauf, ist vollständig jener Anwendung bei Asynchronmotoren mit herkömmlicher Rotorwicklung ähnlich.

Die Stabwicklung 111 ist durch eine aufgeteilte zweipolige Dreiphasenwicklung gebildet, dii.' in ublichei Weise aus einem Material besteht, das ein guter elektrischer Leiter ist (Kupfer oder Aluminium), w elehes wirksam gekühlt w ird, z. B. durch zwangläufige Zirkulation von Wasser. Diese Leiter müssen unterteilt und /ir,· ι Minimisierung der Foucauli-Siromverluste versetzt sein.

Bei der in Fig. IO dargestellten Ausl'ührungsform ist die Statorwicklung 111 in den Nuten eines Staiunrager-, untergebracht, der aus einem faserverstärkten Isoliermaterial bestehen kann oder aus einem magnetische'! oder unmagnetischen Stahl. Im zulet/t genannten Fall ist der Statorträger blätterförmig ausgebildet, und /war in den rechtwinklig zur Maschinenachse verlaufenden Ebenen, um die Verluste zu vermeiden. Die Verteilung und Isolierung der Leiter in den Nuten wird hier nicht näher beschrieben, da es sich um eine bekannte und bei der Herstellung der Statoren von Motoren oiler herkömmlichen Wechselstromgenerato-en angew andtc Technologie handelt.

Der Anlauf des in dieser Weise realisierten Asynchronmotors muß in zwei Phasen bewirkt werden: In der ersten Phase steht der Hohlzylinder 114 still, und die Wicklung 127 ist schaltungsmäßig offen — man läßt die Wicklung 115 durch »Mitnahme« derart an. daß durch den Stator ein Drehfeld erzeugt wird. Da/u kann ein synchronisierter Hilfs-Asynchronmotor sehr schwacher Leistung dienen, der mechanisch mit der Welle 13ΐ verbunden ist. Wenn Synchronismus erreicht ist. verbindet man die Statorwicklung 111 mit dem Speisenetz.

In der zweiten Phase schließt man die Wicklung 127 an die Anlaufwiderstände an. Der Hohl/y linder 11-1 beginnt sich zu drehen; der Anlauf kann unter Belastung bewirkt werden.

Bei dem Anlauf, wie er beschrieben worden ist. kann der Strom an die Wicklung 115 abgegeben werden, bevor diese Wicklung in Drehung versetzt wird. Dabei kann berücksichtigt werden, ohne daß diese l.osunu vorteilhaft erscheint, daß die elektromagnetische Abschirmung der betreffenden Wicklung (äußerer Zylindermantel des Kryostaten) für einen »asynchronen« Anlauf dieser Wicklung mit ausnut/bar ist. wobei der Stator mit einer sehr niedrigen Spannung gespeisi wird. Der Strom wird daher nicht in die betreffende Wicklung abgegeben, währenddessen diese Wicklung sich mit einer Drehzahl dreht, die sich dem Synchron/ustand annähen.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (20)

1. Patentansprüche:

   i. Umlaufende elektrische .Maschine mil mindestens einem eine mehrphasige Wicklung tragenden ί Stator zur Erzeugung eines umlaufenden Feldes und mit einem eine supraleitende Wicklung in einem krvostaten aufweisenden Rotor zur Erzeugung eines mindestens bipolaren Feldes, wenn die Wicklung von einem Gleichstrom durchflossen ist. dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t. daß der Rotor (R)(\\'\ drehbar im Inneren eines nichtmagnetischen Hohlzylinders (16; 114) gelagert ist. der einen Stromkreis aus normal elektrisch leitendem Material aufweist, wobei die Kraftlinien des magnetischen Feldes des Rotors (R) die Wicklung des Stators und den Stromkreis des Hohlz>linders (16; 114) miici.iander koppeln und wobei bei asynchronem Generatorbeirieb der Hohizylinder von einem Antriebsmotor (18) angetrieben ist und dem im asynchronen Molorbetrieb durch Wechselwirkung der Strome, die die Wicklung (11; 111) des" Stators, die supraleitende Wicklung des Rotors (Rj und den Stromkreis (16; 127) des I lohlzyliutlers (16; 114) durchströmen.
2. 2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlzylinder (16; 114) aus einer Leichtmetallegierung hoher Festigkeit und niedrigen elektrischen Widerstands besteht.
3. J. Maschine nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlzylinder (16) einen unmagnetischen Siahlmantel (30) aulw eist, der innenseiiig mn einer Schicht (.31) guter Leitfähigkeit belegt ist.
4. 4. Maschine nach Anspruch J. dadurch gekennzeichnet, daß der Stahlmantel (30) auf seiner Innenseite Längsrippen (32) aufweist, die die Schicht (31) festhalten.
5. 5. Maschine nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (31) aus Kupfer. Aluminium oder einer Legierung auf Aluminium- oder Zirkonbasis besteht.
6. b. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß tier Hohlzylinder (16) eine Kühlwasserzuluhr (39; 40, 43) aufweist, über die ein Kühlwasserfilm auf der Innenseile des Hohlzylinders (16) aufgebracht wird, und daß der llohlzylincler (16) eine Damplabführung (44) für den Dampf des Films aufweist.
7. 7. Maschine nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitende Wicklung (24; 115) des Rotors von einer inneren Wand des Krvosiaten (21; 119, 12O)UmSChIoSSeIIiSi.
8. 8. Maschine nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß die Lager (35, 14; 131, 112, 113) des Rotors und der Hohlwelle (16; 1 Ά) in einem solchen axialen Abstand von den W-cklungen (24, II; 115, 111) des Rotors und des Standers (10; 110) liegen, daß die in ihnen erzeugten Wirbelstrome schwach sind.
9. ^c>. Maschine nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß der Hohl/v lindei' (16; 114) in einem axialen Vollmaterialansaiz (17) kleineren Durchmes sers endet.
10. 10. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lr- ⁶S regerwicklung (24) durch konzentrisch /111 Rotorachse verlaufende Schichten eines Supraleiierdrahles gebildet isi und daß diese Schichten schraubenli

    nienförmig mit Suihldrahten umw ickelt sind. .
11. 11. Maschine nach einem der vorhergehende¹: Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stan.· v\ icklung (11) aus Zylindern besteht, die achsparallc! und in einer solchen Lage ungeordnet sind, dall sk praktisch den gesamten Fluß der supraleiiendei, Wicklung (24) erlassen.
12. 12. Maschine nach Anspruch i. dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation der druiei, Oberweile des Gegeninduktionsleides im ΙΙοΙιΙζ\Ι;η der (16) in Reihe mit den Zylindern der s^Mrui.k luiiü (11) Leiter geschaltet sind, die zv.is.J-.e:; .!■.:■ Z\lindern der Statorwicklung (II) unJ dem i,ii:i,_:,. fenden Hohlzylinder (16) derar; ange..i\i:ie! s:;u: daß der sie durchfließende Strom cntgegc.-igcvj;/' /u dem die Zylinder durchlließein.!eü V:^:.

    gerichtet ist.
13. 13. Maschine nach Anspruch 12. dadurch gekc:·:* zeichnet, daß die Zylinder über ihre Lange in J-: Nähe des umlaufenden HobbyImders (lh) ,.;,.·,· leiterlreie Ausnehmung aufweisen.
14. 14. Maschine nach Anspruch I oder 2. dadurei. gekennzeichnet, daß die Wicklungen (24; 115) de-, Rotors als mehrphasige Wicklungen mit elekii; sehen Cileitkontakten (55 bis 58; 116, 117) /,.:; Zwecke eines Leismngsausiauschs mit e:ner exte neu Schaltung verbunden sind.
15. 15. Maschine nach Anspruch 14. dadurch gekeni: zeichnet, daß die mit den Glcilkontakten (55 his 58; 116, 117) verbundene externe Schahmig an uie Wicklungen (24; 115) des Rotors eine elektrisch·.· Leistung abzugeben bzw. von diesen abzuluhre.-i gestaltet.
16. Ib. Maschine nach einem der Ansprüche 1. 2 <n\r 15. dadurch gekennzeichnet, daß die ä.ißere W.ü-ii des Krvostaten (21) aus einem Material besu!.'. welches ein guier elektrischer Leiter ist. der cm.· Abschirmt'ng bewirkt und durch die Statorw ickhii!- (I I) erzeugte Störfelder dampft.
17. 17. Maschine nach einem der Ansprüche 14 bis lh. dadurch gekennzeichnet, daß der I lohlzv linder (I 14) lamelliert oder mit einem Isoliermaterial versehen ist und Wicklungen (127) trägt, die einem Drehkkl mit einer Versehiebefrequenz unterworlen sind.
18. 18. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis ir. dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen vorgesehen sind, die an die Wicklung des Rotors (115) einen Frregersirom während der Maschinenanlaul periode bis zum Erreichen einer gleichbleibenden Drehzahl abgeben.
19. 19. Maschine nach Anspruch 18, dadurch gekenn zeichnet, daß die genannten Einrichtungen durch einen externen Gleichstromgenerator, der mit den Gleiikontakten (116, 117) verbunden isi. oder durch einen an dem Vollmaicrialansatz des Hohlzvhnders (114) vorgesehenen Erreger gebildei sind, dessen Strom durch statische Gleichrichter gleichgerichtet wird.
20. 20. Maschine nach Anspruch 18, dadurch gekenn /eichnei. daß sie einen Supraleiierunierhiccher enthält, der mit Steuereinrichtungen versehen ist. welche die Schließung und Kiir/schließung dir Wicklung (115) ties Rotors bei einer gleichbleiben den Drehzahl /11 bewirken gestatten.